基于变分多参数正则化方法融合卫星散射计资料

基于常规三维变分同化（3DVAR）思想和反问题中的正则化技术,提出了适用于风场融合的带正则化约束项的3DVAR方法,在南海海域开展数据融合试验,同时采用模型函数方法确定合理的正则化参数,针对一次台风个例进行了QuikSCAT散射计海面风场数据和华南中尺度模式海面风场数据的融合试验,结果表明采用带正则化约束的3DVAR融合方法,明显消除了常规3DVAR方法融合风场时带来的虚假信息,融合后分析风场以及涡度场和散度场分布均匀,结构清晰,气旋中心显著,且分析场中观测起主导作用;采用信号自由度（DFS）方法对融合方法进行定量评估,发现相对常规3DVAR方法,带正则化约束的3DVAR融合系统中观测数据提供的DFS较多,同时提高了观测场对分析场的影响;基于独立观测资料对融合结果进行检验发现相对华南中尺度模式和常规3DVAR方法的统计结果,带正则化约束的3DVAR方法得到的风场具有最小的均方根误差和最大的相关系数。     

2008年东海海面WRF风场和QuikSCAT风场差异分析

为了分析海面风场资料的实用性,利用WRF (Weather Research and Forecasting Model)模拟了2008年东海海面风场,并比较了WRF模拟结果与QuikSCAT卫星散射计资料的差异.结果表明,两种资料均能反映东海海面风场的季节性变化特征,台风月风速偏差波动较大.分析四个台风个例发现,当台风较弱时,两种风场资料分布情况较一致;当台风较强时,两种资料均有不同程度的偏差,在近海区域,WRF模拟结果相比QuikSCAT资料更好地描述台风周围风场特征.     

一次受台风影响的大气波导过程分析和数值模拟

利用NCEP再分析资料及实况探空资料,对2002年8月31日台风"鹿莎"靠近和进入韩国期间,在我国东部地区大气波导的发生情况,以及相对应物理量场进行分析发现:湿度递减以及辐散下沉运动与大气波导的发生有很好的对应关系.运用中尺度预报模式ARPS对这次大气波导过程进行了两种方案的数值模拟试验,结果表明:对大气波导进行数值模拟时,初始场非常重要.在初始时刻同化了探空资料后的初始场更接近真实大气状况,同化探空资料初始场的模拟结果比没有同化探空资料初始场的模拟结果更接近于实际探空资料.     

微波温湿遥感资料在台风路径模拟中的同化试验

基于WRF模式及其3DVar同化系统,针对1513号超强台风"苏迪罗",对NOAA卫星中探测大气温度的AMSU-A资料和探测大气湿度的MHS资料进行同化,考察同化不同类型微波遥感资料对台风路径模拟的影响,结果表明:同化AMSU-A资料对台风路径模拟的改善要大于MHS资料,相对于控制试验,同化AMSU-A资料在预报时间段内将台风平均路径误差最多降低了49 km,而同化MHS资料则最多降低了29 km;组合同化AMSU-A和MHS资料并没有进一步提高台风路径模拟结果,这说明同化更多的资料量不一定能进一步改善台风路径的预报;同化AMSU-A资料对初始场的调整强度和范围大于MHS资料,但经过模式一段时间的积分,同化两类资料对物理场的调整强度接近;同化两类资料对物理场的调整与其对台风路径模拟的调整有着较好的对应。     

0808号台风"凤凰"登陆过程的三维变分同化试验

主要对0808号台风"凤凰"的登陆过程进行模拟试验.首先,利用GPS掩星资料反演的大气气压、温度和水汽资料以及云导风资料,对台风"凤凰"进行了三维变分同化及数值模拟试验.结果表明:同化不同资料,得到的台风初始场各不相同,对台风预报的影响也各不相同.同时同化GPS资料和云导风资料,对台风初始场的调整最大,对模拟台风登陆前...     

台风影响下渤海及邻域海面风场演变过程的MM5模拟分析

在装有 L inux操作系统的 PC机上运行美国大气研究中心 ( NCAR)的非静力中尺度大气模式 MM5。运用 MM5的嵌套功能 ,以 30 km水平分辨率对台风 KAI- TAK( 2 0 0 0年第 4号 )影响渤海海区的时段进行数值模拟 ,同时给出了水平分辨率为 10 km的嵌套区内逐时的渤海海面风场。通过对台风中心位置、中心气压、风速分布与雨区分布等要素的模拟结果与实况的比较 ,证实该实验对台风过程的模拟较为成功。嵌套区内渤海海面风场也明显体现出了地形影响的特征。并尝试以T10 6格点资料的三维客观分析场结合高空及地面观测为模式提供初值场 ,6h/次预报场为模式提供时变边界条件 ,对渤海海面风场进行了 2 4 h时预报     

“凤凰”暴雨物理量场诊断分析

利用NCEP再分析资料,对0808号强台风凤凰暴雨过程进行了物理量诊断分析。主要通过研究与降水有关的大气物理量场的变化及分布,从台风暴雨的发生发展机制与涡度、散度、相对湿度及水汽通量等之间的关系入手,分析了凤凰暴雨产生的时期、区域及强度与大气物理量场之间的内在联系。     

南海台风风场分析及其预报

根据台风在移动过程中,台风内部风场结构相对稳定的特点,利用1969～1987共十九年历史资料按不同天气形势分型,用合成法得到相应类型的台风合成风场。对各类合成风场作经验正交函数(EOF)分析,提取主分量。用主分量逼近预报时的初始风场。依据台风路径和强度预报可作出未来的台风风场预报。用1988年的实测资料检验台风风场的预报结果,若台风路径和强度预报正确,则未来24小时台风风场的平均预报误差为4.1m/s。     

同化QuikSCAT海面风场和海平面气压场对台风“Wukong”的模拟影响

为评估由散射计资料反演的海面风场和海平面气压场对台风模拟的影响,使用中尺度天气研究与预报(Weather Research and Forecasting,WRF)模式和WRF三维变分同化系统,以2006年强热带风暴“Wukong”为例,把QuikSCAT风场资料代入华盛顿大学行星边界层(The University ...     

多普勒雷达资料同化在台风“桑美”预报中的应用研究

本文以2006年超强台风"桑美"为个例,考察了同化雷达径向风观测资料对台风初始场和预报场的改进作用。首先对沿海新一代多普勒天气雷达的径向风观测资料进行了去噪音、退模糊等一系列的质量控制,进一步利用美国国家大气研究中心开发的中尺度数值模式WRFV3.5及其三维变分同化系统WRF-3DVAR,每30min循环同化雷达径向风观测资料。结果表明:同化多普勒雷达径向风观测资料后,对台风在模式中的初始位置进行了很好的修正,同时对台风区的动力和热力结构均有较好的调整。两组同化试验对于台风的路径、强度、降水等预报要优于控制试验,并且对背景误差协方差尺度化因子优化调整可以更有效地吸收雷达观测资料并提供更多的中小尺度信息。     

WRF Hybrid方法同化HY-2A散射计风资料在台风“菲特”预报中的应用

选取台风"菲特"(Fitow,201323)临近登陆过程为试验个例,在WRF模式基础上,采用4种不同的初始化方案,对台风"菲特"进行了72 h预报试验,并分析了模式的初始化对预报效果的影响。试验结果表明,对于台风路径的预报,使用集合平均作为初始场进行预报,预报结果相对直接使用GFS资料作为初始场进行预报的结果有明显改善,使用3DVAR同化方法,将HY-2A卫星散射计风场资料同化到集合平均的初始场中,台风路径预报进一步有所改善,而使用Hybrid同化方法将HY-2A卫星散射计风场资料同化到集合平均的初始场中,台风路径进而又有明显改善;但是在台风强度方面的预报,4种初始化方案效果不相上下。     

近岸区域及河口区台风风场动力诊断模型

由梯度风平衡原理得出具有非对称性的台风模型风场 ,将台风模型风场与 NCAR客观分析风场嵌套得到大区风场并从中取出中尺度动力诊断模式 Mass所需的初始风场 ,再由 Mass模式对局部关键性区域海面风场作动力调整 ,同时结合实测资料使用 Nudging同化方法进行调整 ,从而获得具有较好实用性的台风近岸及河口区的海面风场。文中用上述模型对 90 15号和 9711号台风作了诊断分析试验 ,得到了比较合理的并符合实际观测的台风海面风场     

MASNUM-WAM海浪模式集合Kalman滤波同化研究-I.风场扰动对海浪模拟影响

模式集合样本的代表性和观测信息的可靠性是制约数据同化效果的重要因素,而前者对海浪模式同化的影响尤为显著。由于海浪模式对初始场的敏感性较弱,来自大气的风输入源函数是海浪的重要能量输入,如何合理地对风输入进行扰动,构造海浪的集合模式运行,是实现和改进海浪模式集合Kalman滤波同化的关键问题。为了实现海浪模式集合运行,本文提出了风场的三种集合扰动方案,分别为：纯随机数、随机场和时间滞后的风场扰动方法。本研究利用2014年1月ECMWF全球风场,基于这三种风场扰动方法开展了集合海浪模式的集合运行实验,并统计分析了海浪特征要素（有效波高）和二维波数谱对风场扰动的响应。结果表明,随机场集合扰动方案所构造的风场集合效果最佳,所得海浪模拟结果的集合样本发散度适中,能够较为合理地反映背景误差的统计特征,可用于进一步的集合Kalman滤波海浪数据同化实验。     

大气-海浪耦合模式及其在理想台风模拟中的应用研究

采用传统的理论模型或者经验公式构建台风动力场驱动海浪模式,无法反映台风影响下海气动力过程,难以为海浪模式提供高精度的台风风场、气压场数据。为解决这一问题,基于中尺度大气模式WRF和第三代海浪模式SWAN,构建大气-海浪实时双向耦合模式,并将其应用于理想台风的模拟之中。建立的WRF-SWAN耦合模式能够成功模拟理想台风影响下的台风浪分布特征,揭示了台风风场和台风浪在空间上的“右偏性”不对称分布特征,该模型可推广用于实际台风浪的模拟分析。     

双多普勒雷达资料同化在飓风“艾克”预报中的应用研究

本文采用美国国家大气研究中心（NCAR）开发的中尺度数值模式WRFV3.7及其三维变分同化系统WRF-3DVAR对2008年飓风“艾克”进行了数值模拟研究。利用多普勒天气雷达观测资料具有高时空分辨率的优点,将美国两部多普勒天气雷达资料进行速度退模糊等必要质量控制后同化进中尺度数值模式,考察雷达资料同化对飓风“艾克”预报的改进程度。试验结果表明:将雷达资料用于对流尺度分辨率下飓风初始化需要对变分同化系统中特征尺度化因子进行优化调整,使观测资料能够以较为合理的方式调整模式初始场并进而改进预报;雷达径向风同化可以有效调整模式初始场中的飓风动力和热力结构,而经过尺度化因子调整后的雷达径向风同化则在飓风观测中心位置产生较为合理的气旋性风场增量,提供更为确切的中小尺度信息,使模式初始场更加接近观测并进而改进对飓风路径和强度的预报。     

MASNUM-WAM海浪模式集合Kalman滤波同化研究-Ⅰ.风场扰动对海浪模拟影响

模式集合样本的代表性和观测信息的可靠性是制约数据同化效果的重要因素,而前者对海浪模式同化的影响尤为显著。由于海浪模式对初始场的敏感性较弱,来自大气的风输入源函数是海浪的重要能量输入,如何合理地对风输入进行扰动,构造海浪的集合模式运行,是实现和改进海浪模式集合Kalman滤波同化的关键问题。为了实现海浪模式集合运行,本文提出了风场的三种集合扰动方案,分别为:纯随机数、随机场和时间滞后的风场扰动方法。本研究利用2014年1月ECMWF全球风场,基于这三种风场扰动方法开展了集合海浪模式的集合运行实验,并统计分析了海浪特征要素(有效波高)和二维波数谱对风场扰动的响应。结果表明,随机场集合扰动方案所构造的风场集合效果最佳,所得海浪模拟结果的集合样本发散度适中,能够较为合理地反映背景误差的统计特征,可用于进一步的集合Kalman滤波海浪数据同化实验。     

合成风场作用下的近海重现期波要素分析

运用第三代海浪模式SWAN,分别将台风模型风场、美国NCEP风场、合成风场作为其驱动风场,与实测值比较发现:合成风场优于另外两种风场,在台风中心和远离台风中心地带模拟效果都较好。故选用合成风场作为驱动风场,对1982—2015年间影响东南沿海的210个台风过程进行数值模拟推算,进行P-Ⅲ曲线拟合分析,与测站实测资料符合良好。在此基础上,分方向绘制出东南沿海的百年一遇的波高分布图,可为近海工程环境评估和设计提供参考。     

0418号"艾利"台风暴雨过程的数值模拟

本文利用中尺度MM5模式模拟了0418号“艾利”台风造成闽东北强降水的一次物理过程．模拟结果表明：充沛的水汽和强烈的上升运动是造成台风暴雨的直接原因，降水与850hPa涡度场、散度场有较好的对应关系．基本流场存在二次切变时，横渡型扰动会激发产生并且发生不稳定，从而导致暴雨天气的产生．台风附近相当位温密集陡峭和CAPE值的突增表明台风有加强的可能，CISK和涡旋Rossby波的传播是可能的机制．水汽的敏感性试验结果表明：水汽变化会影响台风的强度和降水的强度，水汽的微小变化可造成降水极大的变化，但对台风的位置影响不大．     

COSMIC掩星资料同化对台风“天兔”预报影响的试验

台风数值预报的关键之一在于给定准确的模式初始场。本文使用气象、电离层和气候星座观测系统(COSMIC)的卫星资料,通过资料同化技术改善数值天气预报模式的初始场,进而评估数据同化技术对台风(或热带气旋)预报的改善效果。使用我国自主研发的数值天气预报模式,对1319号台风“天兔”进行模拟试验,对温度场、湿度场、涡度散度场及假相当位温场进行诊断分析。试验结果表明,与同化常规探空资料相比,COSMIC资料的同化可减小模式预报台风路径误差,台风附近降水落区更为集中。研究评估了掩星资料同化对模式的改进作用,并能为台风预报技术和防灾减灾提供参考。     

2016年苏北近海风场和波浪场多时间尺度变化的数值模拟研究

利用高分辨率的大气和波浪数值模式,模拟了2016年苏北近海的风场和波浪场,并与卫星高度计资料、散射计风场、再分析资料以及实测浮标资料进行了比较,验证了模式的准确性。基于这套模式结果,系统地分析了江苏近海的风场和波浪场的多时间尺度变化:季节变化、日变化以及季节内变化(台风、寒潮)。分析结果表明:苏北近海海域的风速、有效波高和涌浪在冬季和秋季较大、春季和夏季较小;冬季盛行西北风,常浪向为西北向,夏季盛行东南风,常浪向为东南向。风场和波浪场还具有显著的日变化特征,且日变化存在季节变化规律,离岸越近海域日变化特征越明显。同时,江苏近海还会经历季节内尺度的强天气过程的影响,比如台风和寒潮。